我们都知道肖特基二极管(SBD)的特性就是快,因为他的PN结只有一边是Si,另一边是金属,所以它是单边耗尽区,所以快。最近汽车电子火热了,炒作了IGBT,随之而来的是他的“伴侣”芯片-FRD(快恢复二极管),也是为了提高IGBT的恢复时间(Trr),那么这个FRD的快和SBD的快差别是什么呢?如何选择呢?

快回复二极管(FRD)和肖特基二极管(SBD)都是快,差在哪里?-《芯苑》

先讲讲SBD吧,前面文章也应该讲过,他就是金属和半导体接触,由于功函数差带带来的天然的势垒,这个势垒就是肖特基势垒。当然随着半导体一侧的掺杂浓度变高,禁带宽度会变窄,逐渐载流子会隧穿过去,所以一般的contact都需要N+或者P+的pick up,形成欧姆接触了。

当然要形成一个比较好的肖特基二极管,工艺上和设计上要求都是非常高的,不要以为CMOS能做好就一定能做好SBD哦,SBD界面特性如果不好的话,会产生一种叫做pinning effect(钉扎效应),额外增加一个势垒的。设计的结构上就是要增加guard ring,防止边缘的拥挤电场造成的势垒降低而击穿等。

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当然与普通的Silicon的PN结二极管相比,这种SBD的特性就是他只有一个单边的空间电荷区,所以载流子在电场作用下被复合的时间会比普通的Silicon PN结二极管快很多,而且由于这种二极管只有一个单边的空间电荷区,所以PN结电容也变小了,所以SBD一般都适合高频应用。

另外,Silicon PN结的二极管正向导通电压都是0.6~0.7V,而我们SBD由于金属和半导体功函数相对比PN结低,所以SBD的导通电压也比较低~0.2-0.4V。这有什么用呢?是否可以用来探测微弱的电压变化,对吧?这就是RF-detector的工作原理。

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当然了,如果说SBD应用于高频快速领域,还是很空洞,具体一点来说吧,除了上面刚刚讲的RF-detector,这是个电路级别的应用我就没法细讲了,大体就是类似惠斯通电桥的结构,只是把四个电阻换成了了SBD吧。后面各位还是自己去百度吧。

那再回到SBD作为一个二极管的基本应用:钳位(clamp)和整流(Rectifier)。钳位其实就是开关,当电压高于某个电压值他就turn-on保护内部电路,所以速度肯定要快了。第二个是整流,这种都是用在功率整流器里,由于他有更低的turn-on电压,所以他的功耗比较低。

那他和普通PN结二极管比起来有那些不足呢?

1、反向漏电,这个好理解,势垒低了自然电子空穴就容易跃迁了,所以漏电是不可避免的。随着温度升高,每升高25C几乎漏电增加一个order。

2、反向击穿,漏电都管不住,自然击穿也就不行了,一般情况下,100~200V。所以SBD一般都是用在低压application上,当然如果用在高压的功率电子上,也不是不可以。现在有替代方案就是用SiC,因为他的击穿临界电场是Si的10倍,所以几乎可以到1K~2KV以上。(这就是为什么说SiC将来技术成熟了将会是Silicon IGBT和FRD的天敌)。

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3、工作温度:SBD的结温度必须控制在125C,最高不能超过150C,所以它没办法用在automotive了(>=175C)。

好了,Si-SBD暂时就讲到这里,最后留一个思考题给大家。如何提神SBD的击穿耐压?会带来什么负面效应?(欢迎大家踊跃思考)

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OK,接下来讨论FRD。

随着电力电子技术的发展,各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大,这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管,还是采用有自关断能力的新型电力电子器件,如GTO,MCT,IGBT等,都需要一个与之并联的快速二极管,以通过负载中的无功电流,减小电容的充电时间,同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。由于这些电力电子器件的频率和性能不断提高,为了与其关断过程相匹配,该二极管必须具有快速开通和高速关断能力,即具有短的反向恢复时间trr,较小的反向恢复电流IRRM和软恢复特性。

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我们知道功率器件本身都是做开关作用的,电流的流动本身就是“载流子”的流动,那么我们总是希望正向导通时候能够快速产生大量的载流子,而反向关断的时候我们希望立刻所有的载流子就变为零(否则少量的残留载流子就成为了漏电)。然而这些载流子的消失过程就是被复合掉的,所以他就是跟寿命相关。寿命越长,自然就是越难被复合掉,所以关断越晚了,所以提高关断速度,必须降低载流子寿命,但是这又出现“硬恢复特性”,产生较高的感应电压。

一个好的二极管既要正向恢复特性要好,即正向瞬态压降小恢复时间短。同时也要反向恢复特性好,即反向恢复时间短,反向恢复电荷少。

1、正向恢复特性(开通特性):初期会出现“电感效应”,抑制电流流动,导致较高的瞬态压降,需要经过一段时间才能稳定。一方面跟器件内部结构有关,还跟外部的封装、引线、或周边磁性材料有关。

2、反向恢复特性(关断特性):这个好理解,比如你关水龙头,总要慢慢拧紧,最后关断。而器件工作总是在各个PN结附件存储了很多电荷,一旦加一个反向电压,这些电荷的复合是需要时间的,这个时间就是反向恢复时间(trr),这个trr是FRD最重要的选取参数,对于整流或者低频(<1kHZ)下,可以用tff ~25us。如果是斩波或者逆变器电路,则需要5us以下。

先讲一下FRD的特性分析吧,我们知道FRD通常都是IGBT的伴侣芯片,所以这个二极管一定要反向耐高压,所以必须要有一个轻掺杂的基区或者叫(N-drift)区,所以这样的PN结结构在正向导通工作的时候N-drift曲的串联电阻都很大,所以Vf肯定不是普通PN结的0.7V了。一般几百伏的FRD的Vf几乎都是2V左右,从二极管的特性来讲的话,耗尽区越长漏电越低,所以Vf就越高了,所以FRD就是一个VF与trr的trade-off了。当然这个Vf也不是降不下去,现在普遍的做法就是在漂移区的尽头做一个N+的punch-through,这样就可以在想等的电压下降低N-drift曲的宽度(原理同PT-IGBT)。

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那这个Vf和Trr影响啥呢?当然就是功耗(Switch loss/efficiency)了。

另外一个Irr的问题就是噪声,开关过程中残留的电荷在被复合掉之前都叫做噪声电流。以下图为例,有两个问题:一个是反向峰值电流IRp,一个是峰值恢复的斜率Dir/Dt(恢复时间)。如果要降低反向恢复的噪声,则需要降低IRp和斜率变平缓。

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分别来讲一下如何降低IRp和平缓这个Dir/Dt:

1、降低 IRp的方法就是降低阳极杂质浓度(减少injection的量),这种问题会使得Vf变高(和阴极漂移区长度是一个道理)。

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2、Dir/Dt:为了使斜率更平缓,铂(Pt)作为“寿命杀手(Lifetime Killer)”被扩散以缩短寿命,并且dir / dt被成功地降低。如果这个寿命很长,那么剩余的载流子会造成诸如电流的持续性等现象。“Lifetime Killer”加速了载流子复合,缩短了寿命。

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接下来讲讲,如何降低trr!当然就是控制载流子寿命(其实还有器件结构的设计)。怎么做?

通过在器件的基区引入深能级产生复合中心,降低载流子的寿命,降低正向导通时基区的存储电荷总量,并加速反向关断时少数载流子的复合,进而降低反向恢复时间。载流子寿命控制技术根据引入的产生复合中心的位置可以分为全局载流子寿命控制技术和局域载流子寿命控制技术两类。全局载流子寿命控制技术,也称轴向均匀寿命控制技术,通过扩金、铂等深能级杂质和电子辐照对 FRD 芯片整体引入复合中心,降低载流子寿命。局域载流子寿命控制技术也称轴向局域寿命控制技术),通过高能 H+ 或 He++ 等离子辐照在 FRD 一定深度区域感生缺陷,在局部区域降低载流子寿命。轻离子辐照寿命控制技术具有正向导通压降小、反向漏电流低、软度因子高和温度稳定性高的优点,是实现高性能 FRD 的关键技术,目前只有IXYS、 IFX、Vishay 和 ABB 等国际大厂采用。利用 H+ 离子对器件轴向部分区域进行辐照,产生区域复合中心。由于该区域厚度较薄,不会明显影响器件导通压降和漏电等参数。引入的局域复合中心加快反向恢复时 PN 结附近少数载流子的复合速度,使得电子浓度在很短的时间内降至平衡载流子浓度的水平,加快空间电荷区建立速度,缩短反向恢复时间。通过优化 H+ 离子辐照注入的能量,使 H+ 离子辐照感生的缺陷在阳极 P 区内,使 FRD 具备良好的软度特性。

另外,通过在衬底扩散层背面引入 N+ 缓冲层形成场终止结构,使得 FRD 内部的电场强度在场终止层中迅速的下降,FRD 正向导通特性得到改善,导通压降 Vf 也大幅降低,从而减少开通损耗。FRD 的衬底采用扩散片引入场终止层结构极大地改善了的软度因子,具有很好的高温耐压特性。采用激光退火提高背面 N++ 层激活效率形成欧姆接触,增加阴极区的的载流子寿命,这也提高了软度因子。采用半绝缘多晶硅制造高压终端保护结构,提高了反向击穿电压和可靠性。

电力电子系统一般功率都很大,系统复杂,使用器件数目巨多。这些应用特点决定功率器件对可靠性要求极高,使用寿命要求大于 10 年,甚至达到 30 年。为了达到高可靠性,这要求 FRD 软度因子 S 比较高。除了选择局域寿命控制技术外,还可以在 FRD 背面引入中等掺杂浓度的N缓冲层形成场终止层(Field Stop,FS)来优化器件结构,增加基区中的存储电荷,提高反向复合时间,从而提高 FRD 的软度因子 S。

目前 FRD 高端应用市场基本被IFX、ABB、IXYS、三菱等欧美日供应商占据,高端的 FRD 产品全部依赖进口,国内供应商份额很少,并且集中在低端应用市场。FRD 的关键工艺,如局域寿命控制等先进技术在国内仍是空白。针对国内厂家在高性能 FRD 器件市场严重缺失的情况,上海先进半导体制造股份有限公司(Advanced Semiconductor Manufacturing Co., Ltd,ASMC)联合上下游相关公司,开展了高性能的场终止寿命控制 FRD 芯片工艺技术研究,采用电子辐照和轻离子注入载流子寿命控制技术来缩短 FRD 的反向恢复时间,采用缓冲层结构提高软度因子 S,并且采用了半绝缘多晶硅(Semi-insulator polysilicon,SIPOS)和聚酰亚胺(Polyimide, PI)复合钝化层增强器件的长期稳定性,实现了快速高可靠性的 FRD 芯片。(摘自《高性能场终止寿命控制 FRD 芯片工艺研究》)